UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN MANTENIMIENTO
AUTOMOTRIZ
TRABAJO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO EN MANTENIMIENTO AUTOMOTRIZ
TEMA:
COMPROBACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN MOTOR DE
COMBUSTIÓN INTERNA ELECTRÓNICO CICLO OTTO USANDO BIOETANOL CON MEZCLAS E5.
AUTOR:
LEMA PARRA EDISON FABRICIO
DIRECTOR:
ING. HERNÁNDEZ RUEDA ERIK PAÚL, MSc.
CERTIFICADO
ACEPTACIÓN DEL DIRECTOR
En mi calidad de director del plan de trabajo de grado, previo de la obtención del título de Ingeniería en Mantenimiento Automotriz, nombrado por el honorable Consejo Directivo de la Facultad de Ingeniería de Ciencias Aplicadas.
CERTIFICO:
Que una vez analizado el plan de grado cuyo título es “Comprobación del comportamiento de un motor de combustión interna electrónico ciclo Otto usando bioetanol con mezclas E5.” presentado por el señor: Edison Fabricio Lema Parra con número de cédula 1726112392, doy fe que dicho trabajo reúne los requisitos y méritos suficientes para ser sometido a presentación pública y evaluación por parte de los señores integrantes del jurado examinador que se designe.
En la ciudad de Ibarra, a los _____ días del mes ____________ del 2019.
Atentamente
Ing. Hernández Rueda Erik Paúl, MSc.
UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
AUTORIZACIÓN DE USO Y PUBLICACIÓN
A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
1. IDENTIFICACIÓN DE LA OBRA
La Universidad Técnica del Norte dentro del proyecto Repositorio Digital Institucional, determinó la necesidad de disponer de texto completos en forma digital con la finalidad de apoyar los procesos de investigación, docencia y extensión de la Universidad.
Por medio del presente documento dejo sentada mi voluntad de participar en este proyecto, para lo cual pongo a disposición la siguiente información.
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1726112392 APELLIDOS Y
NOMBRES:
Lema Parra Edison Fabricio DIRECCIÓN: Galo Plaza y José Gómez EMAIL: [email protected] DATOS DE LA OBRA
TÍTULO: Comprobación del comportamiento de un motor de combustión interna electrónico ciclo Otto usando bioetanol con mezclas E5.
AUTOR: Lema Parra Edison Fabricio FECHA: Ibarra 02 de abril de 2019 PROGRAMA: PREGRADO
TÍTULO POR EL QUE OPTA
INGENIERÍA EN MANTENIMIENTO AUTOMOTRIZ ASESOR/DIRECTOR Ing. Hernández Rueda Erik Paúl, MSc.
2. AUTORIZACIÓN DE USO A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD.
Yo, Lema Parra Edison Fabricio con cédula de identidad Nro.1726112392, en calidad de autor y titular de los derechos patrimoniales de la obra o trabajo de grado descripto anteriormente, hago entrega del ejemplar respectivo en formato digital y autorizo a la Universidad Técnica del Norte, la publicación de la obra en el Repositorio Digital Institucional y uso del archivo digital en la Biblioteca de la Universidad con fines académicos, para ampliar la disponibilidad del material y como apoyo a la educación, investigación y extensión; en concordancia con la Ley de Educación Superior Artículo 144.
3. CONSTANCIAS
Los autores manifiestan que la obra objeto de la presente autorización es original y se la desarrollo, sin violar derechos del autor de terceros, por lo tanto, la obra es original y que son los titulares de los derechos patrimoniales, por lo que asumen la responsabilidad sobre el contenido de la misma y saldrán en defensa de la Universidad en caso de reclamación por parte de terceros.
Ibarra, a los 02 días del mes de Abril de 2019
AUTOR
________________________________ Firma
Lema Parra Edison Fabricio Nombre completo
1726112392 C.C
CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR
TRABAJO DE GRADO A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
Yo, Lema Parra Edison Fabricio con cédula de identidad Nro. 1726112392, manifiesto mi voluntad de ceder a la Universidad Técnica del Norte los derechos patrimoniales consagrados en la Ley de Propiedad Intelectual del Ecuador artículos 4, 5 y 6, en calidad de autor de la obra o trabajo de grado denominado Comprobación del comportamiento de un motor de combustión interna electrónico ciclo Otto usando bioetanol con mezclas E5. Que ha sido desarrollado para optar por el título de: INGENIERO EN MANTENIMIENTO AUTOMOTRIZ en la Universidad Técnica del Norte quedando la Universidad facultada para ejercer plenamente los derechos cedidos anteriormente. En mi Condición de autor me reservo los derechos morales de la obra antes citada. En concordancia suscribo este documento en el momento que hago entrega del trabajo final en formato impreso y digital a la Biblioteca de la Universidad Técnica del Norte.
________________________________ Firma
Lema Parra Edison Fabricio Nombre completo
1726112392 C.C
DEDICATORIA
El presente trabajo de grado es dedicado a mis padres Mauricio Lema y Lourdes Parra, quienes me han guiado y me han apoyado durante todo el trayecto de mi formación, porque gracias a ellos con su esfuerzo, apoyo y dedicación he logrado cumplir todos mis objetivos. Así también a mis hermanos Jefferson y Juan Pablo por ser plena motivación para seguir adelante, brindándome todo su cariño en el trascurso de nuestras vidas.
A mis abuelitas Ester Guzmán Y Rosa Rocha mis segundas madres, por haberme enseñado valores y aportes invaluables para afrontar las circunstancias de la vida.
A mis tíos Víctor, Marco, Edguitar, Rodrigo y Consue quienes, con sus consejos y el apoyo brindado, han logrado guiarme por el camino correcto, con el fin de convertirme en una persona de bien.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por todo lo manifestado en mi vida, por brindarme la sabiduría necesaria para culminar esta etapa en mi vida y en especial agradezco por brindarme una familia unida.
Deseo expresar mis más sinceros agradecimientos a la Universidad Técnica del Norte, institución que me ha brindado sólidos conocimientos para desempeñarme en el campo profesional. Así como, a todos los docentes de la carrera de Ingeniería en Mantenimiento Automotriz, en especial agradezco profundamente a mi director de trabajo de grado el Ing. Paúl Hernández MSc, que muy gentilmente compartió su sabiduría, conocimiento y experiencia para culminar este trabajo de titulación, demostrando su apoyo incondicional hacia mi persona.
Para culminar también quiero agradecer a todos mis amigos, compañeros, y personas conocidas que han formado parte del desarrollo de mi vida, brindándome su apoyo durante toda la preparación universitaria.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA RESUMEN xvii ABSTRACT xviii CAPÍTULO I 1 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1 1.1 Antecedentes. 1 1.2 Situación actual. 2 1.3 Prospectiva. 31.4 Planteamiento del problema. 4 1.5 Formulación del problema. 5
1.6 Delimitación. 5 1.6.1 Delimitación temporal. 5 16.2 Delimitación espacial. 5 1.7 Objetivos. 5 1.7.1 Objetivo general. 6 1.7.2 Objetivos específicos. 6 1.8 Alcance. 6 1.9 Justificación. 7 1.10 Tipo de investigación 8 1.10.1 Investigación experimental. 8 1.10.2 Investigación transversal. 8 1.10.3 Investigación bibliográfica. 8 1.11 Métodos investigativos. 9 1.11.1 Método inductivo. 9 1.11.2 Método histórico lógico. 9
1.12 Combustión. 9 1.13 Tipos de combustión. 10 1.13.1 Combustión completa. 10 1.13.2 Combustión incompleta. 11 1.13.3 Combustión estequiométrica. 11 1.14 Combustibles. 11
1.14.1 Combustibles fósiles sólidos. 11 1.14.2 Combustibles fósiles gaseosos. 12 1.14.3 Combustibles fósiles líquidos. 13
1.15 Biomasa. 16
1.16 Biocombustibles. 18
1.16.1 Biocombustibles gaseosos. 19 1.16.2 Biocombustibles líquidos. 20
1.17 Bioetanol. 22
1.17.1 Bioetanol de primera generación. 22 1.17.2 Bioetanol de segunda generación. 23 1.17.3 Obtención de bioetanol. 23 1.17.4 Características del bioetanol. 25 1.18 Gasolina usada en ecuador. 26
1.18.1 Gasolina extra. 26
1.18.2 Gasolina súper. 27
1.19 Motor de combustión interna ciclo otto. 28 1.19.1 Sistemas auxiliares del motor. 30 1.20 Emisiones contaminantes. 33 1.20.1 Monóxido de carbono (CO). 33 1.20.2 Óxidos de nitrógeno (Nox). 33
1.20.3 Hidrocarburos (HC). 34 1.20.4 Compuestos orgánicos volátiles (COV). 34
1.20.5 Partículas. 34
1.20.6 Ozono (O3). 34
1.20.7 Óxido de azufre, cloruros y bromuros. 35 1.20.8 Dióxido de carbono (CO2). 35
1.20.9 Oxígeno (O2). 36
1.21 Normativas de emisiones. 36
1.21.1 Unión europea. 36
1.21.2 Normativa chilena. 38 1.21.3 Norma oficial mexicana Nom-042-Semarnat-2003. 39 1.21.4 Normativa ecuatoriana. 39 1.22 Tipos de pruebas de emisiones. 41 1.22.1 Pruebas estacionarias. 41 1.22.2 Pruebas dinámicas. 42
CAPÍTULO II 43
2. MATERIALES Y MÉTODOS. 43
2.1 Desarrollo de la propuesta de estudio. 43
2.2 Materiales. 44
2.2.1 Banco motor. 44
2.2.2 Gasolina extra. 44
2.2.3 Gasolina ecopaís. 45 2.2.4 Analizador de gases Brain Bee. 45 2.2.5 Cuenta revoluciones MGT-300 de Brain Bee. 46 2.3 Funcionamiento del banco motor. 47 2.4 Puesta a punto del motor. 47 2.5 Verificación del motor. 47 2.5.1 Verificación de bujías. 48 2.5.2 Verificación del bloque de cilindros. 48 2.5.3 Verificación del estado de los cojinetes de fricción y del cigüeñal. 49 2.5.4 Verificación de culata y válvulas. 50 2.5.5 Cojinetes de fricción de la biela y cabeza del pistón. 50
2.5.6 Sincronización. 52
2.6 Compresión del motor. 53
2.7 Sistema de alimentación del combustible. 54 2.7.1 Verificación del filtro de combustible. 54 2.7.2 Verificación del depósito y bomba de combustible. 55 2.7.3 Verificación de inyectores. 56 2.7.4 Verificación de mangueras y cañerías. 57 2.8 Pruebas con diferentes combustibles. 58
CAPÍTULO III 64
3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 64
3.1 Análisis de los datos obtenidos utilizando gasolina extra a ralentí. 64 3.1.1 Análisis de monóxido de carbono (CO) utilizando gasolina extra. 64
3.1.2 Análisis de dióxido de carbono (CO2) utilizando gasolina extra. 65
3.1.3 Análisis de hidrocarburos (HC) utilizando gasolina extra. 66 3.1.4 Análisis de oxígeno (O2) presentes en los gases de escape
utilizando gasolina extra. 66 3.2 Análisis de los datos obtenidos utilizando mezcla E5 a ralentí. 67 3.2.1 Análisis de monóxido de carbono (CO) utilizando mezcla E5. 67 3.2.2 Análisis de dióxido de carbono (CO2) utilizando mezcla E5. 68
3.2.3 Análisis de hidrocarburos (HC) utilizando mezcla E5. 69 3.2.4 Análisis de oxígeno (O2) presentes en los gases de escape
utilizando mezcla E5. 70 3.3 Análisis de los datos obtenidos utilizando gasolina extra en un promedio
de 2 500 rpm. 71
3.3.1 Análisis de monóxido de carbono (CO) utilizando gasolina extra. 71 3.3.2 Análisis de dióxido de carbono (CO2) utilizando gasolina extra. 72
3.3.3 Análisis de hidrocarburos (HC) utilizando gasolina extra. 73 3.3.4 Análisis de oxígeno (O2) presentes en los gases de escape
utilizando gasolina extra. 74 3.4 Análisis de los datos obtenidos utilizando mezcla E5 en un promedio de
2 500 rpm. 74
3.4.1 Análisis de monóxido de carbono (CO) utilizando mezcla E5. 75 3.4.2 Análisis de dióxido de carbono (CO2) utilizando mezcla E5. 75
3.4.3 Análisis de hidrocarburos (HC) utilizando mezcla E5. 76 3.4.4 Análisis de oxígeno (O2) presentes en los gases de escape
utilizando mezcla E5. 77 3.5 Análisis de todo el comportamiento de las emisiones de gases
con gasolina extra y mezcla E5 a diferente régimen de giro. 78 3.5.1 Análisis de monóxido de carbono (CO). 78 3.5.2 Análisis de dióxido de carbono (CO2). 79
3.5.3 Análisis de hidrocarburos (HC). 80 3.5.4 Análisis de oxígeno (O2) presente en los gases de escape. 81
3.5.5 Análisis del factor lambda (λ). 82
CAPÍTULO IV 84
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 84
4.1 Conclusiones. 84
4.2 Recomendaciones. 86
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA PÁGINA
NÚM.
1.1 Composición elemental de la biomasa. 17 1.2 Principales residuos de la provincia de imbabura. 17 1.3 Producción total de residuos agrícolas en el ecuador para el año 2014. 18 1.4 Evolución de la producción de biogás en la unión europea expresada en
miles de toneladas equivalentes de petróleo. 19 1.5 Principales materias primas para la elaboración de biodiesel. 21
1.6 Propiedades del etanol. 25
1.7 Índices de octano. 26
1.8 Requisitos de la gasolina de 87 octanos. 27 1.9 Requisitos de la gasolina 92 octanos. 27 1.10 Elementos básicos del MCIA. 29 1.11 Clasificación de los vehículos europeos. 37 1.12 Límites máximos de emisiones para vehículos a gasolina. 37 1.13 Límites de emisión por cilindrada. 38 1.14 Límites para vehículos que usan gasolina. 39 1.15 Prueba estática para medir los límites máximos de emisiones permitidos
para motores de gasolina. Marcha mínima o ralentí. 40 1.16 Prueba dinámica para medir los límites máximos de emisiones
permitidos para motores de gasolina. 40 2.1 Especificaciones técnicas del motor. 44 2.2 Datos técnicos de funcionamiento. 46 2.3 Calibración de las bujías del Chevrolet Aveo 1.6. 48 2.4 Propiedades del combustible extra empleado. 59 2.5 Propiedades del combustible ecopaís empleado. 59 2.6 Condiciones atmosféricas aplicadas para la investigación. 60 2.7 Horario establecido para la toma de datos de emisiones. 60 2.8 Factores de emisión con gasolina extra y mezcla E5 (ecopaís) a ralentí. 62 2.9 Factores de emisión con .gasolina .extra y. mezcla E5 (ecopaís) a un
promedio de 2 500 rpm. 63
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA PÁGINA
NÚM.
1.1 Triángulo de la combustión o de fuego. 10 1.2 Representación de la estructura de la biomasa lignocelulósica. 16 1.3 Transformaciones y aplicaciones bioenergéticas de la biomasa. 18 1.4 Tendencia mundial en la producción de biodiesel. 21 1.5 Esquema de las etapas de obtención del bioetanol (2G). 23 1.6 Esquema básico de los MCIA. 29 1.7 Esquema del funcionamiento del motor de cuatro tiempos. 30 1.8 Sistema más habitual de lubricación a presión con Cárter húmedo. 31
1.9 Sistema de refrigeración. 32
1.10 Emisiones contaminantes en MEP en función del factor lambda FR. 35
1.11 Prueba estática de emisiones. 41 1.12 Prueba dinámica de emisiones 42
2.1 Etapas de desarrollo. 43
2.2 Analizador de Gases Brain Bee AGS-688 45 2.3 Cuenta revoluciones MGT-300. 46
2.4 Verificación de bujías. 48
2.5 Verificación del bloque de cilindros. 49 2.6 Verificación del estado de los cojinetes de fricción y del cigüeñal. 49 2.7 Verificación de culata y válvulas 50 2.8 Verificación de los cojinetes de fricción de la biela. 51 2.9 Estado de la cabeza del pistón. 51 2.10 Puntos de referencia para la ubicación del pistón. 52 2.11 Polea del árbol de levas. 52
2.12 Compresión del motor. 53
2.13 Verificación del filtro de combustible. 54 2.14 Depósito de combustible. 55 2.15 Bomba de combustible. 55 2.16 Verificación de los inyectores del banco motor. 56 2.17 Limpieza y prueba de inyectores por ultrasonido. 56 2.18 Pruebas realizadas en el banco de inyectores. 57 2.19 Verificación de mangueras y cañerías. 58 2.20 Combustibles empleados en la investigación. 58 2.21 Calibración del analizador de gases. 61 2.22 Banco motor conectado a los equipos de medición. 62 3.1 Valores promedio de (CO) a ralentí usando gasolina extra. 64 3.2 Valores promedio de (CO2) a ralentí usando gasolina extra. 65
3.3 Valores promedio de (HC) a ralentí usando gasolina extra. 66 3.4 Valores promedio de (O2) a ralentí usando gasolina extra. 67
3.5 Valores promedio de (CO) a ralentí usando mezcla E5. 68 3.6 Valores promedio de (CO2) a ralentí usando mezcla E5. 68
3.7 Valores promedio de (HC) a ralentí usando mezcla E5. 69 3.8 Valores promedio de (O2) a ralentí usando mezcla E5. 70
3.9 Valores promedio de (CO) en un promedio de 2 500 rpm usando
3.10 Valores promedio de (CO2) en un promedio de 2 500 rpm usando
gasolina extra. 72
3.11 Valores promedio de (HC) en un promedio de 2 500 rpm usando
gasolina extra. 73
3.12 Valores promedio de (O2) en un promedio de 2 500 rpm usando
gasolina extra. 74
3.13 Valores promedio de (CO) en un promedio de 2 500 rpm usando
mezcla E5. 75
3.14 Valores promedio de (CO2) en un promedio de 2 500 rpm con mezcla
E5. 76
3.15 Valores promedio de (HC) en un promedio de 2 500 rpm usando
mezcla E5 76
3.16 Valores promedio de (O2) en un promedio de 2 500 rpm utilizando
mezcla E5. 77
3.17 Datos totales obtenidos de (CO). 78 3.18 Datos totales obtenidos de (CO2). 79
3.19 Datos totales obtenidos de (HC). 80
3.20 Datos totales obtenidos de (O2) presente en los gases de escape. 81
GLOSARIO DE TÉRMINOS
°C: Grado Celsius.
atm: Atmosfera.
B10: Compuesto por un 90 % de diésel derivado del petróleo y un 10 % de biodiesel.
B20: Compuesto por un 80 % de diésel derivado del petróleo y un 20 % de biodiesel.
B5: Compuesto por un 95 % de diésel derivado del petróleo y un 5 % de biodiesel.
C: Carbono.
CEE: Comunidad Económica Europea.
Cl: Cloro.
CO2: Monóxido de Carbono.
COV: Compuestos Orgánicos Volátiles.
DOHC: Double Overhead Camshaft.
E5: Mezcla del 5 % de etanol y el 95 % de gasolina.
ECU: Engine Control Unit.
GLP: Gas licuado de petróleo.
GNV: Gas natural vehicular.
H: Hidrógeno.
H2O: Agua.
HC: Hidrocarburos.
IAC: Idle Air Control Valve.
INEN: Instituto Ecuatoriano de Normalización.
kPa: Kilopascal.
kWh: Kilovatios- hora.
M1: Vehículos que transporte hasta 8 personas.
MCIA: Motor de combustión interna alternativo.
MJ: Megajoules.
MON: Motor Octane Number.
MPa: Megapascal.
msnm:Metros sobre el nivel del mar.
N.m: Newton metro.
N: Nitrógeno.
N1: Vehículos con peso que no supere las 3,5 toneladas.
NC: Número de cetano.
NM: Número de metano.
NOx: Óxidos de nitrógeno.
NTE: Norma Técnica Ecuatoriana.
O2: Oxígeno.
O3: Ozono.
Pa: Pascal.
pH: Potencial hidrógeno o potencial de hidrogeniones.
PMI: Punto muerto inferior.
PMS: Punto muerto superior.
ppm: Partes por millón.
psi: Pounds force per square inch.
RON: Research Octane Number.
rpm: Revoluciones por minuto.
S.I.: Sistema International.
S: Azufre.
So2: Dióxido de azufre.
TSI: Two Speed Idle.
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO PÁGINA NÚM.
AI.1 Extracción de líquido refrigerante. 93
AI.2 Extracción del aceite. 93
AII.1 Desmontaje del banco motor. 94 AII.2 Desmontaje del bloque de cilindros y culata. 94 AIII.1 Montaje del bloque de cilindros y culata. 95 AIII.2 Reposición del filtro de aceite. 95 AIV.1 Convertidor catalítico para el Aveo activo 1.6 96 AIV.2 Convertidor catalítico instalado en el banco motor. 96 AV.1 Mezcla E5 (gasolina ecopaís). 97
AV.2 Gasolina Extra. 97
AVI.1 Banco motor encendido alcanzando la temperatura necesaria de
funcionamiento. 98
AVI.2 Banco motor conectado los equipos de medición. 98 AVII.1 Introduciendo la sonda. 99 AVII.2 Toma de datos de las pruebas realizadas. 99 AVIII.1 Datos obtenidos con gasolina extra a ralentí. 100 AVIII.2 Datos obtenidos con gasolina extra a un promedio de 2 500 rpm. 100 AIX.1 Datos obtenidos con mezcla E5 a ralentí. 101 AIX.2 Datos obtenidos con mezcla E5 a un promedio de 2 500 rpm. 101
RESUMEN
Actualmente la principal fuente de contaminación proviene de las emisiones de gases contaminantes expuestas por los motores de combustión interna, ya sean de ciclo Otto o diésel utilizados en la automoción, por lo tanto, en el presente trabajo se comprobó el comportamiento de un motor de combustión interna electrónico ciclo Otto usando bioetanol con mezclas E5, el cual es una alternativa viable al uso de combustibles fósiles debido a que el petróleo es un recurso no renovable. Cabe destacar que el uso de biocombustibles reduce hasta en un 30 a 40 % el nivel de gases nocivos hacia el medio ambiente. Para la presente investigación fue necesario poner a punto un banco motor de la marca Chevrolet, modelo Aveo 1 600 sin ningún tipo de modificaciones, con la finalidad de obtener buenos resultados durante el proceso de combustión. La cantidad de combustible empleada para esta investigación fue; cuatro galones de combustible extra y cuatro galones de mezcla E5 o denominada gasolina ecopaís. Las pruebas de análisis de emisiones se realizaron en el taller de la carrera de Ingeniería en Mantenimiento Automotriz de la Universidad Técnica del Norte en la ciudad de Ibarra a una altura de 2 225 metros sobre el nivel del mar y una presión atmosférica de 101 700 Pa. Con la ayuda del analizador de gases Brain Bee, conectado al cuenta revoluciones MGT-300 de la misma marca, se procedió a analizar y determinar las concentraciones presentes en los gases de escape del banco motor mediante un horario establecido durante cuatro días de pruebas para cada combustible y a diferente régimen de giro. Con la mezcla E5 para el análisis de gases contaminantes se obtuvo como resultado una disminución del 44,3 % a ralentí y 39,1 % a un promedio de 2 500 rpm del nivel de monóxido de carbono (CO). Para hidrocarburos (HC) se redujo 8,1 % a ralentí y 32,3 % a un promedio de 2 500 rpm. Así también el nivel de oxígeno (O2) a la salida de los gases de
escape disminuyó un 49,8 % a ralentí y 26,9 % a un promedio de 2 500 rpm. Con el presente trabajo de investigación se demuestra, que el uso de biocombustibles reduce notoriamente el nivel de gases contaminantes al usar una concentración del 5 % de etanol y 95 % de gasolina extra en la mezcla, contribuyendo a la disminución de la contaminación por fuentes móviles.
ABSTRACT
Actually the main source of pollution comes from the emissions of polluting gases exposed by internal combustion engines, whether cycle Otto or diesel used in the automotive industry, therefore, in this work was checked the behavior of a combustion engine internal electronic cycle Otto using bioethanol with E5 mixtures, which is a viable alternative to the use of fossil fuels because oil is a non-renewable resource. It should be noted that the use of biofuels reduces the level of harmful gases to the environment by up to 30 to 40 %. For the present investigation it was necessary to develop a Chevrolet engine, model Aveo 1 600 without any modifications, in order to obtain good results during the combustion process. The amount of fuel used for this investigation was; four gallons of extra fuel and four gallons of E5 mixture or called gasoline ecopaís. The emission analysis tests were carried out in the Automotive Maintenance Engineering career workshop of the Universidad Técnica del Norte in the city of Ibarra at an altitude of 2 2225 meters above sea level and an atmospheric pressure of 101 700 Pa. With the help of the Brain Bee gas analyzer, connected to the rev counter MGT-300 of the same brand, proceeded to analyze and determine the concentrations present in the exhaust gases of the engine bank through a set schedule during four days of testing for each fuel already different rotation regime. The E5 mixture for the analysis of polluting gases resulted in a 44.3 % decrease at idle and 39.1 % at an average of 2 500 rpm of the level of carbon monoxide (CO). For hydrocarbons (HC) it was reduced 8.1 % at idle and 32.3 % at an average of 2500 rpm. So also, the level of oxygen (O2) at the exit of the exhaust gases
decreased 49.8 % at idle and 26.9 % at an average of 2 500 rpm. With the present research work it is demonstrated that the use of biofuels significantly reduces the level of polluting gases by using a concentration of 5 % ethanol and 95 % extra gasoline in the mixture, contributing to the reduction of contamination by mobile sources.
CAPÍTULO I
1.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.
1.1
ANTECEDENTES.
El uso de combustibles fósiles como fuente de energía se remonta a inicios del siglo XX con la extracción industrial del petróleo, debido a su gran contenido energético fue utilizado en la industria y en el campo automotriz, por todo esto en la actualidad la mayoría de energía se obtiene de combustibles fósiles (Fernandez, 2006, pág. 1).
Los motores de combustión interna tanto gasolina y diésel han sido parte de grandes logros a través de la historia, ya que por medio de estos se ha podido lograr cualquier avance tecnológico dentro del campo automotriz. También son considerados como máquinas que generan un trabajo efectivo por medio del proceso de combustión (Santo, Rodríguez , Vega, & Rodríguez, 2012, pág. 1551).
La necesidad energética es directamente proporcional al crecimiento poblacional, por lo tanto, a mayor consumo de energía generada por combustibles fósiles mayor será el nivel de contaminación, lo que da inicio a la necesidad de usar nuevas alternativas que cumplan con la misma función o mejoren a las ya existentes.
La prolongación de los habitantes eternamente ha sido y seguirá siendo uno de los principales factores del requerimiento energético, contiguo con el mejoramiento financiero y social (WORLD RESOURCES ENERGY, 2003, pág. 6).
Tomando en cuenta que el cambio climático es un efecto directo de la inflamación de combustibles fósiles se toma algunas consideraciones como alternativa a esta y la posible disminución de niveles de contaminación, la sociedad tiene la necesidad de crear y desarrollar combustibles alternativos. Es por todo esto la necesidad de aprovechar la energía, en este caso la alternativa más considerable para motores de combustión interna son todas las biomasas conocidos como biocombustibles, por ejemplo: maíz, caña y semillas.
El bioetanol es un combustible alternativo que se está utilizando para reemplazar los combustibles fósiles, siendo utilizado en motores de combustión interna como complemento de la gasolina, aunque el bioetanol puede sustituir a la gasolina el uso adecuado como aditivo es el que mejora la potencia del motor y disminuye el nivel de gases contaminantes. Su obtención se da a partir de la descomposición de plantas hasta llegar a un punto de fermentación.
El etanol anhídrido es incoloro e inflamable con punto de ebullición de 78 °C y se caracteriza por ser compatible con la gasolina y contener como máximo 0.5 % de agua y como combustible resulta una opción muy atrayente debido a las bajas emisiones ya que puede ser obtenido de fuentes renovables (Naranjo Sanango & Sarate Naula, 2012, pág. 46).
El bioetanol con mezclas E5 es una composición porcentual de gasolina-etanol, este combustible en nuestro país se lo conoce como ecopaís que consiste en una mezcla del 95 % de gasolina y el 5 % de etanol.
La utilización de alcohol anhídrido en mixturas con nafta en el motor disminuye incluso un 20 % en volumen, no exige alteraciones de los motores ciclo Otto, y exclusivamente en algunos casos requiere arreglos en carburación, debido a su derivación de empobrecimiento de la mixtura (Torres, Molina , Pinto, & Rueda , 2002, pág. 73). Haciendo que la utilización de bioetanol sea muy conveniente con cualquier tipo de motor electrónico a gasolina. El estado ecuatoriano promovió el uso y la aplicación de energías alternativas no contaminantes, implementando la producción de biocombustibles en el país con la finalidad de beneficiar el desarrollo agroindustrial y disminuir el nivel de contaminación en el aire, siendo este último el soporte fundamental de investigaciones realizadas dentro del territorio ecuatoriano con temas de investigación relacionados al bioetanol a partir de biomasas. Como es el caso en la Universidad Técnica del Norte se analizó el comportamiento del motor a gasolina Chevrolet Luv 2 200, utilizando la mezcla E10 a partir de la biomasa residual de la papa, el cual es una alternativa al uso de gasolina convencional comúnmente utilizado y hay que destacar que su uso contribuye con la reducción de emisiones de gases nocivos para el medio ambiente y para los seres vivos (Lomas , 2018, pág. 14).
1.2
SITUACIÓN ACTUAL.
En la actualidad los biocombustibles han ocupado un espacio importante a nivel de américa latina, pero el biocombustible más usado en esta zona es el etanol. Brasil fue el primer país del mundo en eliminar totalmente el tetraetilo de plomo de su matriz de combustibles en el año de 1992 por medio de estudios, ya que al combinar el etanol con la gasolina se puede elevar su nivel de octanaje y ya no es necesario adicionar el tetraetilo de plomo lo que conlleva a su total eliminación (Monteiro, 2010, pág. 7).
Los biocombustibles son una alternativa que actualmente se está combinando, en el mundo desarrollado, con otras opciones como son los cambios tecnológicos relacionados con el menor consumo de los vehículos por kilómetro recorrido, calidad menos contaminante de los combustibles y filtros más eficaces para controlar las emisiones (Coviello, Gómez, Razo, & Rodríguez, 2008, págs. 17-18).
La idea de introducir biocombustibles para la utilización en américa latina es disminuir los altos niveles de contaminación. Sabiendo que en la actualidad existen motores con gran tecnología es sorprendente cuando se habla del impacto positivo que genera la versatilidad de los biocombustibles en la reducción de gases contaminantes.
Ecuador al estar ubicado en américa latina también se incluye en introducir biocombustibles, es así que en el año 2010 el país inicio un plan con la finalidad de producir bioetanol con mezclas E5 que actualmente en el país se lo conoce como ecopaís. La mezcla se realiza mediante la fermentación de la caña de azúcar que por un proceso de refinación y destilación se obtiene un porcentaje de bioetanol, pero para obtener la gasolina deseada se requiere mezclar la gasolina convencional conocida como extra y el bioetanol en sus correspondientes porcentajes. El proceso productivo de la gasolina se basa en el procesamiento de la caña y la obtención de etanol a partir del jugo de caña o guarapo (PRO ECUADOR, 2013, pág. 14).
1.3
PROSPECTIVA.
América Latina para el año 2020 producirá más de la mitad del total de biocombustibles, se presenta una gran oportunidad al momento de importar estos biocombustibles, ya que Estados Unidos y la Unión Europea requerirán de los biocombustibles creados en América Latina y se considera que los países más beneficiados serán Brasil, México, Argentina y Colombia ( Vivero , 2009, pág. 4).
En 2020, 37,9 billones de litros de biocombustibles serán comercializados globalmente, de estos, cerca de un 80 % serán producidos en América Latina (Monteiro, 2010, pág. 76). El incremento de la demanda a nivel mundial podría convertirse en una excesiva producción lo que conllevaría a destruir y terminar con otros recursos que son los suelos fértiles. Los biocombustibles están considerados como una nueva fuente de energía, capaz de levantar la economía agrícola y mejorar los procesos de producción de cada país.
Sin embargo, estudios realizados muestran que el aumento de la producción de biocombustibles podría tener efectos adversos de no ser acompañado por un paquete adecuado de políticas (Coviello et al., 2008, pág.10).
La utilización de biocombustibles como el bioetanol tendrá un proceso de transformación de la matriz productiva y el interés por parte de los usuarios al usar estas nuevas mezclas. Se quiere establecer que para los próximos años el uso de gasolina extra se remplace por mezclas E5 a nivel nacional y más del 80 % de personas que disponen de vehículos con gasolina usen esta nueva alternativa ya que el porcentaje de bioetanol en la mezcla es bajo los vehículos no necesitan ningún tipo de modificación, por lo que algunas marcar han decidido ya construir los vehículos capaces de soportar mezclas hasta de un 85 % de bioetanol.
1.4
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En la actualidad la mayoría de los vehículos usan combustibles fósiles debido a su gran potencial energético, por lo tanto, la necesidad energética es directamente proporcional al crecimiento poblacional. Todo esto debido al consumo energético excesivo de combustibles fósiles que da como resultado el cambio brusco del clima por ser un efecto directo de la inflamación de mencionados combustibles. Se estima que las reservas de petróleo a nivel mundial terminaran dentro de 50 años, pero la necesidad de consumir más energía obliga a buscar otras fuentes de energía.
Los combustibles fósiles son recursos limitados que se utilizan para obtener y generar energía, este uso indiscriminado provoca contaminación atmosférica, gases generadores del efecto invernadero, lluvia ácida y enfermedades respiratorias producto de los gases de combustión (Pasquel & Gordillo, 2018, pág. 2).
El tetraetilo de plomo aún es usado en la gasolina super y extra para aumentar el octanaje, se considera este componente químico como un aditivito pesado que es expulsado por los gases de escape, transformándose en un gas venenoso para la salud humana capaz de afectar el sistema nervioso de los seres vivos. Debido a la abundante presencia de motores de combustión interna las ciudades se han visto afectadas por la contaminación exponiendo a sus habitantes a inhalar estas toxinas.
por el uso de carburantes de origen fósil y sus derivados no renovables como la gasolina y el diésel, que son utilizados por la industria de la automoción (Rodríguez, 2017, pág. 2). Ecuador también considera importante el uso de estos combustibles, es así que en el año 2010 generan un plan para producir mezclas E5 e introducirlas al mercado nacional al mismo precio que la gasolina extra. En el territorio ecuatoriano es necesario buscar nuevas fuentes de energía limpia y renovable, debido a que los recursos cada vez se van agotando a pasos agigantados.
1.5
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
¿Cómo comprobar el comportamiento de un motor de combustión interna electrónico ciclo Otto usando bioetanol con mezclas E5 con el fin de determinar cuál de estos dos combustibles contamina en menor cantidad?
1.6
DELIMITACIÓN.
El presente proyecto de titulación guarda las siguientes delimitaciones:
1.5.1 DELIMITACIÓN TEMPORAL.
Este proyecto se llevó a cabo desde el mes de Junio del 2018, al mes de Enero del 2019.
1.5.2 DELIMITACIÓN ESPACIAL.
El proyecto de investigación se llevará a cabo en los talleres de la Universidad Técnica del Norte ubicado en la Ciudad de Ibarra.
1.7
OBJETIVOS.
a continuación:
1.7.1 OBJETIVO GENERAL.
Comprobar el comportamiento de un motor de combustión interna electrónico ciclo Otto usando bioetanol con mezclas E5 y gasolina extra, mediante la comparación y cuantificación de gases tóxicos de escape con cada combustible con el fin de determinar cuál de estos combustibles presenta menor contaminación para el medio ambiente.
1.7.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Calibrar un motor sin modificaciones previo a la investigación mediante la realización de mantenimientos preventivos y correctivos a fin de obtener valores reales con un buen estado del motor.
Realizar el análisis de emisiones con mezclas E5 y gasolina extra con la ayuda del analizador de gases Brain Bee ha diferentes regímenes de giro con el fin de obtener valores reales en cada una de las pruebas de gases contaminantes.
Analizar y comparar los datos obtenidos mediante la utilización de herramientas y software con el propósito de evidenciar posibles diferenciaciones en valores de gases tóxicos presentes en ambos combustibles.
1.8
ALCANCE.
El bioetanol en mezclas E5 es una alternativa favorable para la reducción de consumo de combustibles fósiles, como también la reducción de un 30 % a 40 % del nivel de contaminación producto de los gases de combustión (García , Cendales, & Eslava, 2016, pág. 87).
En esta investigación se calibrará un motor alternativo electrónico, sin modificación a gasolina de 4 cilindros que se encuentran en el taller de la Universidad Técnica del Norte para poder realizar los respectivos análisis de emisiones de gases. Continuando con la investigación se analizará y comparará las emisiones en el uso de combustibles alternativos
con mezclas E5 que contiene 5% de bioetanol y el restante 95% de gasolina común (extra) producidas por el motor anteriormente mencionado.
1.9
JUSTIFICACIÓN.
Mediante el Plan Nacional de Desarrollo - Toda una Vida en su objetivo número 5 establece, impulsar la productividad y competitividad para el crecimiento económico sostenible de manera redistributiva y solidaria, tomando énfasis en su política 5.6 que menciona promover la investigación, la formación, la capacitación, el desarrollo y la transferencia tecnológica, la innovación y el emprendimiento, la protección de la propiedad intelectual, para impulsar el cambio de la matriz productiva mediante la vinculación entre el sector público, productivo y las universidades (Plan Nacional de Desarrollo, 2017, pág. 83). Así también establece en su política 5.7 garantizar el suministro energético con calidad, oportunidad, continuidad y seguridad, con una matriz energética diversificada, eficiente, sostenible y soberana como eje de la transformación productiva y social (Plan Nacional de Desarrollo, 2017, pág. 83). El petróleo al ser un recurso no renovable tiene una gran desventaja la cual es que su existencia es limitada, según estudios se estima que la demanda de caída de petróleo empezara en el año 2040 y esta fuente de energía puede acabar dentro de 50 años. Cada año, las reservas mundiales de petróleo van disminuyendo y la población demanda más de lo que se puede producir (Camarillo Montero, 2011, pág. 5).
La presente investigación tiene como objetivo analizar las emisiones producidas por la combustión dentro de un motor electrónico de combustión interna sin modificaciones usando gasolina común (extra) con la mezcla de etanol al cinco por ciento (E5). En la implementación de nuevos combustibles alternativos para los motores de combustión interna, los procesos de mayor interés son los efectos que estos causan en el rendimiento del motor y la reducción de la concentración de emisiones de gases al medio ambiente (Maldonado Sarmiento, 2014, pág. 3).
Para la realización de estas pruebas con combustibles alternativos lo más importante es presenciar cuales son los posibles efectos en el motor, es decir ver el nivel de contaminación que se puede reducir comparado con la gasolina extra. En la región costa de Ecuador se expende gasolina con mezclas E5 denominada ecopaís. Dicha mezcla pretende reemplazar a la gasolina extra.
Por esto la investigación pretende analizar y comparar el nivel de contaminación de cada uno de los combustibles usados por medio de pruebas con la ayuda de analizadores de gases. El bioetanol puede ser utilizado en motores de combustión interna, pero al ser mezclado un porcentaje bajo de etanol y gasolina común se puede reducir el nivel de gases contaminantes y aumentar la potencia del motor.
La mezcla E5 (5 % de etanol) y (95 % combustible extra) en Ecuador tiene la denominación de Ecopaís y no tiene ningún problema al ser usado en motores convencionales, ya que estos motores no necesitan modificaciones.
1.10
TIPO DE INVESTIGACIÓN
El presente trabajo de investigación fue desarrollado de la mejor manera utilizando diferentes métodos mencionados a continuación.
1.10.1 INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL.
La investigación experimental abarcó la realización de las pruebas estáticas de gases contaminantes a diferente régimen de giro utilizando combustible extra y mezcla E5 (gasolina ecopaís), obteniendo como resultado los datos respectivos.
1.10.2 INVESTIGACIÓN TRANSVERSAL.
La investigación trasversal es aquella en la cual se utiliza un lapso determinado de tiempo, en el caso de la presente investigación se presentó un horario diferente para cada prueba de gases, logrando establecer un patrón favorable para la toma y análisis de las pruebas.
1.10.3 INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA.
realizados y que son de uso público, encargados de proporcionar la información necesaria para desarrollar el presente trabajo de investigación.
1.11
MÉTODOS INVESTIGATIVOS.
Para el presente trabajo investigativo se utilizaron los siguientes métodos:
1.11.1 MÉTODO INDUCTIVO.
El método inductivo, también conocido como método experimental es un método científico que alcanza todo tipo de resultados empezando por una pequeña idea, por lo que para el presente trabajo de investigación se llegará a las conclusiones con datos relacionados de otras investigaciones presentes por divulgación.
1.11.2 MÉTODO HISTÓRICO LÓGICO.
Este método se encarga de un estudio de consecuencia lógica relacionado con algún tipo de investigación, por lo que con ayuda de información recopilada y estructurada se logrará alcanzar los objetivos planteados haciendo uso de investigaciones anteriormente realizadas para luego formar parte de posibles futuras investigaciones.
1.12
COMBUSTIÓN.
La combustión es el agrupamiento de varias reacciones fisicoquímicas, en la cual el combustible presenta un proceso de oxidación rápida al entrar en contacto con el comburente. Complementariamente se necesita de una fuente de energía capaz de activar e iniciar la combustión, dando así origen al desprendimiento de calor acompañado de una luz en forma de flama.
el espacio y en el tiempo en unas proporciones adecuadas (Barrera Puigdollers, Betoret Valls, Castelló Gómez, & Pérez Esteve, 2018, pág. 3).A la unión de estos tres elementos se conoce como triángulo de la combustión o fuego.
Figura 1.1 Triángulo de la combustión o de fuego.
(Barrera Puigdollers, Betoret Valls, Castelló Gómez, & Pérez Esteve, 2018, pág. 3).
La Figura 1.1 es la representación gráfica de un triángulo de fuego que indica los componentes necesarios para desatar la reacción, generalmente en la realidad se utiliza al aire como comburente ya que contiene oxígeno. Mientras que la energía de activación puede generarse por una chispa desencadenado y produciendo la reacción.
1.13
TIPOS DE COMBUSTIÓN.
Dependiendo de la cantidad de comburente utilizado y el potencial de combustión que se logra presenciar se puede generar los siguientes tipos de combustión:
1.13.1 COMBUSTIÓN COMPLETA.
El proceso de combustión completa es aquel que el combustible se oxida en su totalidad y como resultado de esta oxidación tenemos nitrógeno, carbono, hidrógeno y azufre. El
nitrógeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse óxidos de nitrógeno en pequeñas proporciones (del orden de 0,001 %) (Masson Ricaurte, 2012, pág. 5). Todo esto involucra que el resultante de oxígeno en el medio ambiente ha sido en poca proporción suficiente para oxidar a los elementos.
1.13.2 COMBUSTIÓN INCOMPLETA.
Al no oxidarse en su totalidad el combustible aparecen partículas no quemadas que al no completar su combustión se convierten en gases contaminantes (HC), todo esto debido a la falta de oxígeno presente en la mezcla. Estas sustancias son los contaminantes más comunes que escapan a la atmosfera en los gases de combustión ( Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid, 2013, pág. 16).
1.13.3 COMBUSTIÓN ESTEQUIOMÉTRICA.
Este tipo de combustión también es conocida como teórica, ya que se introduce dentro de la mezcla la cantidad exacta de oxígeno que se requiere para producir mencionado proceso de oxidación dando como resultado agua líquida (H2O), dióxido de carbono (CO2) y dióxido de
azufre (SO2), teóricamente se elimina la presencia de oxígeno en el humo por las
formaciones anteriormente mencionadas.
1.14
COMBUSTIBLES.
Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando reacciona con el oxígeno, habitualmente el contenido en el aire, transformando su estructura química ( Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid, 2013, pág. 29). La función principal de un combustible es liberar toda su energía para ser aprovechada potencialmente, todo combustible es una sustancia apta para ser quemada.
1.14.1 COMBUSTIBLES FÓSILES SÓLIDOS.
Los combustibles fósiles son sustancias procedentes de biomasas que con el pasar del tiempo sufren transformaciones por medio de la descomposición. Estos combustibles al final de su descomposición tienen una reacción con alto contenido energético.
1.14.1.1CARBÓN.
El carbón o también conocido como carbón natural o mineral es una roca sedimentaria del resultado residual de vegetales y plantas descompuestos hace millones de años. El origen del carbón es la descomposición de vegetales terrestres que se acumulan en zonas pantanosas de poca profundidad, estos restos se van acumulando y quedan cubiertos de agua, como consecuencia, desprovistos del oxígeno del aire, el que los degradaría, es ahí cuando comienza una lenta transformación por la acción de bacterias anaerobias (microorganismos que no necesitan oxígeno) (Méndez , 2017, pág. 2). El proceso de carbonización se realiza con la ayuda de los microorganismos sin oxígeno, aumentando la cantidad de carbono con el transcurso del tiempo.
1.14.2 COMBUSTIBLES FÓSILES GASEOSOS.
Son mezclas que se obtienen del proceso de destilación, estas mezclas tienen concentraciones de metano que juntamente con el hidrogeno pueden provocar la combustión, así también constan de un porcentaje muy pequeño de monóxido de carbono y otros compuestos en mínimas cantidades.
1.14.2.1GAS NATURAL.
El gas natural es una fuente de energía no renovable, esta energía es producida por el ambiente natural y su composición principal es el metano que se encuentra en medios naturales con una concentración entre 87 y 96 partes. Porcentualmente hablando el gas natural abarca un 22 % para el uso de energía convencional en todo el mundo.
Cuando se emplea el gas natural en hogares o en la industria, se generan entre 25 y 30 % menos emisiones de CO2 que empleando petróleo, y entre 40 y 50 % menos emisiones de
CO2 que al emplear carbón en relación con cada unidad energética producida; al usarlo para
la generación de energía eléctrica, se libera cerca de 60 % menos CO2 que al emplear carbón
(GNV), se generan entre 20 % y 25 % menos emisiones de CO2 que al emplear combustibles
tradicionales (Becerra & Rodriguez, 2017, págs. 191-192).
1.14.2.2GAS LICUADO DE PETRÓLEO.
Gas licuado del petróleo (GLP) son los hidrocarburos que a presión y temperatura ambiente se encuentran en estado gaseoso (butano y propano), pero cuando se los somete a presión moderada se pueden licuar fácilmente, es decir, al comprimir las moléculas de estos hidrocarburos comienzan a evidenciarse las interacciones de London, ya que las moléculas se atraen pasando al estado líquido (Pamparato & Bejonja, 2017, pág. 92).
Es por estas interacciones que el gas licuado de petróleo puede ser almacenado fácilmente en cilindros, bombonas o garrafas de volúmenes pequeños con capacidad de abarcar gran cantidad del contenido presurizado.
1.14.3 COMBUSTIBLES FÓSILES LÍQUIDOS.
Estos combustibles son característicos por mantenerse en estado líquido en condiciones normales (temperatura y presión), en su mayoría son derivados del petróleo y muy usados en la industria y la automoción (vehículos livianos y transporte pesado). Entre los principales tenemos:
1.14.3.1PETRÓLEO.
El petróleo está compuesto por una mezcla de sustancias naturales que se encuentra en yacimientos bajo la tierra, principalmente se caracteriza por poseer un color obscuro y olor desagradable.
(Trujillo, 2012) afirma. “Que el carbono y el hidrógeno que dan como resultado el precioso líquido negro, son la consecuencia de formaciones que durante millones de años se establecieron por la acción de la naturaleza, tanto de animales como de plantas en pantanos y aguas en descomposición”, (pág.4).
1.14.3.2GASOLINA.
La gasolina es un hidrocarburo que se obtiene a partir de la destilación del petróleo, utilizada generalmente como combustible para producir energía mecánica por medio de un proceso de ignición. Esta energía se obtiene por medio de la explosión que ocurre dentro de una cámara de ignición. Las gasolinas empleadas en motores de ignición satisfacen diversos requerimientos tanto en su etapa de producción como es su posterior rendimiento vehicular, su composición química está formada por moléculas de carbono e hidrogeno normalmente tiene entre 7 y 11 átomos de carbono unidos a átomos de hidrogeno (Pérez Darquea, 2017, pág. 25).
Especialmente los carburantes (gasolina) que son empleadas en motores de encendido por chispa requieren unas determinadas características en cuanto a volatilidad, poder calorífico, resistencia al picado, etcétera (Alonso, 2014, pág. 5).
1.14.3.3DIÉSEL.
El diésel o gasoil se obtiene en las partes más bajas de la torre de destilación a presión atmosférica, son los hidrocarburos de mayor tamaño, contienen de 11 a 20 átomos de carbono y suele tratarse químicamente para formar moléculas de menor tamaño que son más valiosas como combustibles, en un proceso denominado cracking o craqueo (Pamparato & Bejonja, 2017, pág. 93).
1.14.3.4CARACTERÍSTICAS DE LOS CARBURANTES
Dependiendo estas características la calidad del combustible puede verse o no afectada al momento de realizar el proceso de combustión.
Número de Octano.
decir la habilidad que tiene para quemarse sin causar detonación en los motores de combustión interna (Pérez Darquea, 2017, pág. 25 ). Para medir el número de octano u octanaje se aplican los 3 métodos existentes; MON, RON y número de octano en marcha. El MON es el encargado de ver la capacidad del combustible para impedir detonaciones a velocidad con una conducción regular. El RON mide posibles detonaciones representada como un comportamiento dentro de la ciudad, es decir a bajo régimen de giro y una variación de aceleraciones y el número de octano en marcha es la conducta normal del combustible en funcionamiento. En motores de alta compresión, cuando el número de octanaje es bajo, el combustible tiende a auto detonarse.
Poder calorífico.
Por definición, el poder calorífico de un combustible dado indica la máxima cantidad de energía que es posible obtener de la combustión de dicho combustible, una de las unidades de medición (no la única y hay que considerar comprender las tablas de equivalencias) de energía son los mega Joules (MJ), los cuales sirven para medir el poder calorífico de un material o de un combustible (Ramírez Montoya & Mendoza Domínguez, 2017, pág. 37).
Volatilidad.
La volatilidad en los combustibles se presenta cuando se eleva potencialmente la temperatura del combustible líquido hasta alcanzar un punto de evaporación. Todo combustible líquido al evaporarse a temperaturas bajas tiende a ser altamente volátil.
Densidad.
La densidad es la relación existente entre la masa y el volumen de los cuerpos, es por eso por lo que podemos decir que determina la cantidad de masa o materia por cada unidad de volumen presente. En el Sistema Internacional (S.I.) se expresa en (Kg/m3) pero, también se puede expresar en (g/cm3).
Viscosidad.
La viscosidad se define como una medida de la resistencia al movimiento de un fluido y también puede enunciarse como la velocidad de deformación del fluido cuando se le aplica un esfuerzo cortante dado (Zacarías Santiago, González López, Granados Manzo, & Mota Lugo, 2017, pág. 17).
1.15
BIOMASA.
La biomasa también conocida como materia viva es el conjunto de materias orgánicas de origen vegetal o animal que pueden ser utilizadas como fuente de energía. La biomasa, a pesar de no ser gradualmente estimada como el origen de generación sostenible de energía eléctrica ostenta un futuro promisorio, principalmente por ser amigable con el medio ambiente, por ser un recurso renovable y sobre todo el nivel de dióxido de carbono es nulo (Serrano, Mejía, Ortiz, Sánchez, & Zalamea, 2017, pág. 44).
La biomasa, sea cual sea su tipo está conformada principalmente por tres elementos. La celulosa, hemicelulosa y lignina. La composición de cada uno de estos elementos siempre va a depender del tipo de planta que se utilice.
Figura 1.2 Representación de la estructura de la biomasa lignocelulósica.
(Serrano, Mejía, Ortiz, Sánchez, & Zalamea, 2017, pág. 45).
Como se puede apreciar en la Figura 1.2 la representación de la estructura de la biomasa lignocelulósica está dada por la celulosa que es el material que más abunda en el planeta y está constituida por glucosa. Así también se aprecia la hemicelulosa que forma parte de las
paredes de las células vegetales y está compuesta por una mezcla de azucares con contenido entre 5 y 6 carbones y la lignina que es encargado de formar parte de los tejidos de las plantas. Todos estos elementos que conforman la biomasa y que se menciona anteriormente están catalogados por un nivel porcentual en peso en base seca.
La medida porcentual depende de la composición de cada átomo constituido como el carbono, oxigeno, hidrogeno, nitrógeno, azufre y cloro detallado en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1 Composición elemental de la biomasa.
Fuente: (Serrano, Mejía, Ortiz, Sánchez, & Zalamea, 2017, pág. 46).
A continuación, se presenta en la Tabla 1.2 los principales residuos de biomasa encontrados en la provincia de Imbabura que consigna, para cada uno de los cinco principales residuos, los siguientes parámetros: producción absoluta de cada actividad, cantidad de residuos generados, ambos expresados en toneladas anuales y la estimación energética asociada cada uno en TJ/año, destacando que las cifras corresponden a la totalidad de los residuos de cada producto sin haberse considerado valores mínimos de producción de residuos, que resulten no significativos para su utilización energética (Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, 2014, pág. 16).
Tabla 1.2 Principales residuos de la provincia de Imbabura. Provincia Superficie (km2) Producto Producción absoluta (t/año) Residuos (t/año) Energía bruta (TJ/año) Forestal 23 313,19 50 123,36 965,34 Caña de azúcar 224 361,43 35 897,83 712,55 IMBABURA 4 583,48 Palmito 3 097,85 7 533,98 99,75 Plátano 6 476,49 4 274,48 53,97 Banano 3 146,73 2 076,84 26,22 Total 260 395,69 99 906,49 1 857,84
Fuente: (Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, 2014, pág. 16).
Elemento Porcentaje en peso en base seca
Carbono (C) 30-60 % Oxígeno (O) 30-40 % Hidrógeno (H) 5-6 % Nitrógeno (N), Azufre (S), Cloro (Cl) <1 %
Para examinar el potencial energético de la biomasa en el Ecuador, es ineludible distinguir y cuantificar la cantidad generada por año y el acercamiento que se tiene hacia estos recursos durante el año 2014, la producción general de despojos agrícolas en Ecuador se muestra en la Tabla 1.3 (Serrano, Mejía, Ortiz, Sánchez, & Zalamea, 2017, pág. 52).
Tabla 1.3 Producción total de residuos agrícolas en el Ecuador para el año 2014. Cultivo Producción total de residuos (t/año)
Cacao 1 935 496,50 Banano 4 891 143,60 Plátano 276 473,30 Arroz 2 101 948,90 Caña de azúcar 87 885,9 Maíz 346 002,0 Forestales 136 547,6
Fuente: (Serrano, Mejía, Ortiz, Sánchez, & Zalamea, 2017, pág. 52).
1.16
BIOCOMBUSTIBLES.
Los biocombustibles son mezclas de componentes orgánicos obtenidos a través de la biomasa. Los biocombustibles son empleados como recurso energético para la utilización en motores de combustión interna tratando de reemplazar a los combustibles fósiles. En la actualidad existen biocombustibles gaseosos y líquidos. Centraremos el estudio en los combustibles líquidos y en aquellos compuestos gaseosos obtenidos de la biomasa que pueden utilizarse como sustitutos de combustibles líquidos para hacer funcionar un motor de combustión interna, ya sea de tipo diésel o de gasolina (Pérez, 2016, pág. 63).
Figura 1.3 Transformaciones y aplicaciones bioenergéticas de la biomasa.
En la Figura 1.3 representa las trasformaciones y aplicaciones bioenergéticas de la biomasa, es decir, los procesos que se pueden aplicar para obtener diferentes fuentes de bioenergía, estos procesos pueden ser por conversión biológica, fisicoquímica, térmica y directa para al final obtener combustibles aplicables al transporte.
1.16.1 BIOCOMBUSTIBLES GASEOSOS.
Dentro de los combustibles gaseosos teneos el biogás y una mezcla gaseosa proveniente de un proceso termoquímico de madera.
1.16.1.1BIOGÁS.
El denominado biogás, proviene de la descomposición en ausencia de aire de materias vegetales, un proceso biológico conocido como digestión anaerobia que en su interés estriba en que produce una mezcla de gases, principalmente metano y dióxido de carbono en proporciones de 50-75 % del primero, y 25-50 % del segundo (Pérez, 2016, pág. 64). En la Tabla 1.4 presentada a continuación establece la evolución de la producción de biogás en la Unión Europea expresada en miles de toneladas de petróleo por lo que no se presentan datos exactos y por separado del biogás debido a que estudios realizados por distintos organismos vinculados de una u otra manera a la Unión Europea no lo detallan (Pérez, 2016, pág. 66). Encubriendo así la situación que se presenta en Europa ya que la mayoría de biogás que se produce son de diferentes fuentes energéticas.
Tabla 1.4 Evolución de la producción de biogás en la Unión Europea expresada en miles de toneladas equivalentes de petróleo.
Fuente del biogás 2006 2007 2008 2009 2010 2012
Cultivos energéticos / estiércol / residuos municipales 1 331 3 504 4 155 4 341 4 700 5 500 Vertederos 2 007 2 795 2 891 3 002 3 050 3 150 Lodos de depuradoras 868 925 953 1 004 1 050 1 150 TOTAL 4 206 7 224 7 999 8 346 8 800 9 800 Fuente: (Pérez, 2016, pág. 66).
1.16.1.2GASIFICACIÓN DE LA MADERA.
En épocas de una enorme escasez de petróleo, como aconteció en la segunda Guerra Mundial, o en los años posteriores a la Guerra Civil española, se ha utilizado la madera como fuente de combustible en vehículos motorizados, alimentando el motor no con gasolina ni gasóleo sino con los gases que provenían de la combustión parcial de madera que tenía lugar en un recipiente voluminoso o gasificador que el vehículo automóvil, camión, autobús o tractor remolcaba (Pérez, 2016, pág. 70).
En los gasificadores se puede utilizar madera o carbón vegetal (o también carbón), aunque si se emplea carbón vegetal hay que tener en cuenta que en su fabricación se emplea hasta 70 % de la energía inicialmente contenida en la madera, lo que hace que el conjunto del proceso sea muy poco eficiente desde el punto de vista energético, estos gases generados en el proceso de gasificación están formados por 40 % de gases combustibles, principalmente monóxido de carbono e hidrógeno, y metano en menor cantidad, el resto son gases no combustibles y consisten principalmente en nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua (Pérez, 2016, pág. 70).
Para que este gas funcione en los motores de combustión interna se debe eliminar todos los residuos de alquitrán y ácidos que se presenten en el proceso de gasificación. La obtención de este gas genera un gas con bajo poder calorífico en comparación con la gasolina
1.16.2 BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS.
Se trata de una opción de aprovechamiento directo de la materia orgánica para sustituir a los combustibles líquidos fósiles, sobre todo en los vehículos y para aplicaciones de transporte, existen dos tipos de biocombustibles líquidos el biodiesel, que sustituye al gasóleo, y el bioetanol, que sustituye a la gasolina (Jarauta, 2015, pág. 82).
1.16.2.1BIODIESEL.
El biodiésel es una excelente alternativa para prevenir situaciones de crisis relacionadas con el petróleo puesto que la relación de producción y consumo es favorable ya que la materia
prima del biodiésel son los aceites vegetales o grasas animales, el cual resulta de la transesterificación de los triglicéridos al ser contenidos por un alcohol de cadena corta (Paez & Marulanda, 2018, pág. 242). Actualmente el biodiesel consiste en la mezcla de diesel fósil con biodiesel obtenido de biomasas, como resultado de estas mezclas se codifica B0, B5, B10 y B20 expresando “B” como el biodiésel y el número que sigue a la letra “B” es el encargado de indicar el porcentaje de diésel fósil ingresado en la mezcla.
Figura 1.4 Tendencia mundial en la producción de biodiesel.
(Ramírez, 2018, pág. 5).
El aumento de producción de biodiesel en la actualidad se establece como una tendencia global ya que para el año 2015 alrededor de todo el mundo se tenía en mente producir 30 millones de litros, teniendo en cuenta una proyección para el año 2025 que sobrepase los 40 millones de litros de producción como lo detalla la Figura 1.4.
El biodiesel se puede utilizar directamente en motores diesel, pues de hecho el motor diesel se inventó a partir del aceite de cacahuete. (Jarauta, 2015, pág. 82).
En la Tabla 1.5 se presenta un listado de materias primas que se usan para la elaboración del biodiesel, este listado está clasificado por aceites vegetales convencionales como por ejemplo el aceite de girasol, aceite de palma entre otros. También se clasifica por aceites vegetales alternativos combinados entre sí para culminar con una clasificación de otras fuentes.
Tabla 1.5 Principales materias primas para la elaboración de biodiesel. Aceites vegetales
convencionales
Aceites vegetales alternativos Otras fuentes
Aceite de Girasol Aceite de Brassica carinata Aceite de semillas modificadas genéticamente
Tabla 1.5 Principales materias primas para la elaboración de biodiesel. (Continuación…)
Aceite de colza Aceite de Cynara curdunculus Grasas animales Aceite de Soya Aceite de Camelina sativa Aceites de fritura usados Aceite de coco Aceite de Crambe abyssinica Aceites producidos por
microrganismos y microalgas Aceite de palma Aceite de Pogianus
Aceite de Jatropha curcas
Fuente: (Ramírez, 2018, pág. 17).
1.17
BIOETANOL.
El etanol es el combustible más utilizado a lo largo de la historia en la industria automovilística, aunque su consumo se ha visto alterado a lo largo de los años, actualmente se está empleando principalmente como combustible, ya sea de forma única o mediante una mezcla con gasolina que permite características muy similares y alto poder energético, además de disminuir las emisiones contaminantes (Abascal, 2017, pág. 10). El bioetanol es un biocombustible renovable capaz de reemplazar al combustible fósil (gasolina), producido por fermentación alcohólica de materia orgánica de todo tipo de cereales o plantas azucareras como la caña de azúcar, el bioetanol proporciona un combustible de mejor calidad comparado con la gasolina y brinda la posibilidad de seguir mejorando los alcoholes para el uso como ruta de salida por medio del etanol (Alcalá, Cujilema, León, Baryolo, & Ramos, 2018, pág. 141). Estados Unidos y Brasil son los principales productores mundiales de alcohol anhidrido, ambos producen el 70 % a nivel mundial, seguidos por China, India y Francia, alicientes del mercado han provocado el desarrollo de crecientes manufacturas en el mundo (Cabezas & Moyano, 2016, págs. 18-19).
1.17.1 BIOETANOL DE PRIMERA GENERACIÓN.
El bioetanol de primera generación o conocido también como bioetanol convencional, se obtiene de todo producto agrícola (biomasas), que poseen una gran cantidad de valor alimenticio o de consumo humano, pero la ventaja de estos biocombustibles de primera generación es su bajo costo de producción. Es por este valor alimenticio que los biocombustibles de primera generación (en este caso el bioetanol) ponen a durar en el
momento de la producción, debido a la paradoja que se plantea cada individuo “producir para alimentar o producir para generar bioenergía”.
1.17.2 BIOETANOL DE SEGUNDA GENERACIÓN.
Por otra parte, el bioetanol de segunda generación se obtiene a partir de todo producto agrícola o biomasas de origen natural, por ejemplo, la madera. La principal diferencia entre los combustibles de segunda generación con respecto a los de primera generación es que su proceso de obtención no afecta a la cadena alimenticia ya que tiene un alto contenido de celulosa y hemicelulosa con un valor alimenticio nulo. También se le conoce como bioetanol proveniente de lignocelulosa.
1.17.3 OBTENCIÓN DE BIOETANOL.
El etanol que se produce en función de la lignocelulósica es conocido también como bioetanol de segunda generación como se mencionó anteriormente. Para la obtención del bioetanol se tiene algunas etapas, dentro de estas etapas están la reducción de tamaño, pretratamiento, hidrolisis de celulosa y hemicelulosa, fermentación, recuperación y purificación del bioetanol (Bellido Díez, 2014, pág. 13).
Figura 1.5 Esquema de las etapas de obtención del bioetanol (2G).
